O núcleo e a compactação do DNA nos cromossomos

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O núcleo e a compactação
do DNA nos cromossomos
A célula eucariota
A presença do núcleo e outras organelas
membranosas celulares caracteriza a célula
eucariota que são também de maior
tamanho (10 a 100 μm de diâmetro) do que
as células procariotas; o núcleo abriga o
DNA que está isolado do citoplasma pela
membrana ou envoltório nuclear. Há várias
moléculas de DNA por núcleo. No caso da
espécie humana há 46 moléculas de DNA
lineares que se ligadas umas às outras
ponta a ponta representam
aproximadamente 2 m de DNA por célula.
No núcleo o DNA está associado a proteínas,
formando a cromatina que possui diversos
estágios de condensação, sendo a sua forma
mais condensada representada pelos
cromossomos. Essa compactação permite
que o material genético caiba no núcleo da
célula.
Nota: DNA + proteínas = cromatina e os
cromossomos.
Além de presente no núcleo, há DNA
também nas mitocôndrias, porém com a
formação bastante diferente do DNA
nuclear, entre outros aspectos, por ser uma
molécula muito menor e circular.
A célula procariota
A célula procariota é bem menor (1 a 5 μm
de diâmetro) do que a eucariota , não há
membrana nuclear ao redor do material
genético e também estão ausentes as
organelas membranosas, a molécula de DNA
é circular compactada em uma região
denominada nucleóide, os cromossomos
também são circulares e, em geral, um por
bactéria, diferente dos eucariotos onde os
cromossomos são vários e lineares. Em
algumas bactérias há também DNA
extranuclear nos plasmídeos, esse DNA
também é circular e em menor tamanho,
representando mini cromossomos. Na célula
procariota o DNA não está associado à
proteínas, portanto não há cromatina.
O material genético no núcleo
interfásico- Eucariontes
O núcleo é delimitado pela membrana
nuclear também chamada de carioteca,
caracterizada pela presença de poros que
são mais frequentes nas células com
intensa atividade de transcrição. O interior
do núcleo contém a cariolinfa que é um
colóide não corável e rico em proteínas,
também está contido DNA associado a um
grande número de proteínas ácidas e básicas
formando a cromatina.
A intérfase pode ser de�nida como um
intervalo entre a divisão celular mitose ou
meiose. Nela o DNA existe associado à
proteínas sobre a forma alongada e dispersa
que de�ne a cromatina. Essa conformação
da cromatina é importante, pois nas células
diferenciadas na intérfase que apresenta
uma intensa atividade metabólica, o DNA �ca
mais acessível, facilitando a expressão
gênica, do mesmo modo na fase S ainda da
intérfase, o material genético também �ca
mais acessível a sua replicação. Quando a
célula se prepara para entrar em divisão, a
cromatina vai se condensando até formar as
estruturas que conhecemos como
cromossomos.
A constituição protéica da cromatina
As proteínas que envolvem o DNA são de
dois tipos: histonas e não histonas.
As histonas correspondem a maior
proporção de proteínas que envolvem o
DNA, contém aminoácidos carregados
positivamente, predominantemente lisina e
arginina, o que permite que se liguem
eletrostaticamente ao fosfato do DNA que
tem carga negativa. Além de permitir a
compactação da molécula de DNA, as
histonas o protege da ação de
endonucleases, que são enzimas que
degradariam o DNA caso estivesse livre no
núcleo celular. Cinco classes de histonas
estão presentes nos eucariontes: H3 e H4
estão entre as proteínas mais conservadas.
Elas têm sequências de aminoácidos
idênticas mesmo em espécies muito
diferentes, por isso se diz que são
conservadas, ou seja, não sofreram grandes
transformações ao longo do processo
evolutivo, o que sugere que sua função deve
ser idêntica em talvez todos os eucariontes.
H2A e H2B também são encontradas em
todos os eucariontes, mas apresentam
considerável variação espécie-especí�ca na
sua sequência de DNA. H1 apresenta
considerável variação tanto entre espécies
quanto entre tecidos de uma mesma espécie
e parece estar relacionado com o controle
da expressão gênica. 2 H2A, 2 H2B, 2 H3 e 2
H4 formam um octâmero de histonas ao
redor do qual o DNA se enrola e é preso pela
H1, a toda essa estrutura dá se o nome de
nucleossomo.
Ainda fazem parte da cromatina as
proteínas não histonas que estão em
proporção muito menor, são mais variáveis
em sequência de aminoácidos entre tecidos
e entre espécies e que possuem funções
relacionadas à expressão gênica.
Níveis de compactação do DNA no
núcleo interfásico
Resultados obtidos das pesquisas realizadas
até o momento sugerem que o DNA dá
aproximadamente duas voltas ao redor do
octâmero de histonas e a estabilização
dessa estrutura é feita pela ligação da
histona ao H1. Essa estrutura pode ser
esquematizada em forma de um cordão de
contas representado por vários
nucleossomos em sequência, formando a
�bra condensada de cromatina de 11 NM,
primeiro estágio de condensação da
cromatina. As caudas que partem das
histonas do centro do nucleossomo são
acessíveis à enzimas que acrescentam e
retiram radicais químicos como, por
exemplo, a metila, esses acréscimos ou
remoção modi�cam as histonas e podem
alterar o nível de expressão dos genes
empacotados na região do DNA ao redor.
O aumento da compactação prossegue com o
enrolamento dos nucleossomos ao redor de
si mesmo, formando a estrutura conhecida
com solenóide,onde os nucleossomos
individuais não podem mais ser identi�cados,
formando a �bra de cromatina de 30 NM,
quando se condensa ainda mais recebe o
nome de cromonema, representando a �bra
de 300 NM, observado na intérfase. A partir
daí a �bra de 700 NM é observada durante a
divisão celular e atinge o grau máximo de
condensação na metáfase. A cromatina pode
ser expandida ou contraída, ou seja, o
empacotamento do DNA é dinâmico.
A cromatina
A cromatina pode ser classi�cada de acordo
com o grau de compactação em eucromatina
e heterocromatina. No núcleo interfásico
elas podem ser visualizadas nas regiões
mais claras que correspondem à
eucromatina, sendo menos condensada ela
retém menos corante. Nessa região se
localizam os genes que podem ser
transcritos em proteínas. A
heterocromatina corresponde às regiões
mais coradas no núcleo interfásico, por
serem mais compactadas (condensadas),
retêm mais corantes e essa região é dita
ser geneticamente inativa por não conter
genes ou os genes que ali se encontram
estão reprimidos, portanto não
transcrevem.
Há dois tipos de heterocromatina: a
constitutiva e a facultativa.
● A heterocromatina constitutiva pode
ser melhor visualizada em
cromossomos humanos em
metáfase, ela está principalmente
localizada nos centrômeros que são
as regiões mais coradas e ao redor
dos telômeros que são as
extremidades dos cromossomos; em
alguns casos pode estar localizada
também ao longo dos cromossomos.
Nos humanos isso é observado nos
pares 1, 9 e 16. No caso dos
mamíferos em geral também se
observa uma extensa região de
heterocromatina constitutiva no
cromossomo Y, demonstrando nesse
caso que grande parte deste
cromossomo é geneticamente inerte.
● A heterocromatina facultativa é a
porção de heterocromatina que num
mesmo organismo pode estar
condensada em algumas células e em
outras não. Como exemplo podemos
citar a inativação aleatória de um
dos cromossomos X das fêmeas dos
mamíferos que ocorrem no início do
desenvolvimento embrionário. Em
parte das células o cromossomo X de
herança paterna será inativado e nos
outros 50% de células
aproximadamente será inativado o X
de herança materna. Porém em
todas as células femininas apenas
um cromossomo X será
geneticamente ativo, isso ocorre nos
organismos com sistema de
determinação do sexo XXXY ou
XXX0 e é conhecido como
mecanismo de compensação de dose
com intuito de igualar a atividade de
genes ligados ou localizados no
cromossomo X nos dois sexos. Deste
modo, cada fêmea tem um mesmo
número de genes ligados ao X
transcricionalmente ativos que um
macho. O cromossomo X �ca
inativado e nas células em intérfase
pode ser visto como uma coloração
escura �xada na superfície interna
da membrana nuclear e é
denominado de corpúsculo de barr,
esse corpúsculo está ausente nas
células masculinas.Morfologia dos cromossomos
Em organismos gerados por reprodução
sexuada cada célula somática tem um
conjunto diplóide de cromossomos, ou seja,
cada cromossomo tem um par e cada um foi
herdado de um genitor. Os cromossomos
metafásicos são os mais apropriados para a
análise citogenética que é a ciência que
estuda os cromossomos. Na fase de
metáfase cada cromossomo apresenta duas
estruturas lineares paralelas denominadas
de cromátides, devido a replicação da
molécula de DNA que ocorreu anteriormente
na fase S da intérfase, ou seja, cada
cromátide carreia uma molécula de DNA e
aquelas de um mesmo cromossomo são
denominadas cromátides-irmãs. O
centrômero é a região mais constrita dessa
estrutura e a que de�ne a morfologia do
cromossomo, dividindo a cromátide em dois
braços. O braço mais curto por convenção
está situado acima do centrômero e é
denominado braço P para Petit, pois foi
assim denominado por um pesquisador
francês; o braço mais longo está
posicionado abaixo do centrômero e é
chamado de braço Q, pois sendo a próxima
letra do alfabeto em vários países e em
vários idiomas, facilita a identi�cação da
morfologia.
Quanto ao centrômero, quando ele está no
meio da cromátide o braço P é igual ao
braço Q e nesse caso ele é denominado
metacêntrico; se o braço P tem a metade do
tamanho do braço Q, ele é dito
submetacêntrico; se o centrômero está
próximo ao telômero, de modo que o braço P
diminuto é visualizado ou até mesmo só pode
ser visualizado o braço Q, ele é denominado
de acrocêntrico; a denominação telocêntrico
é indicada para o centrômero localizado no
telômero, porém essa denominação é
questionada por alguns pesquisadores que
consideram que seria necessária uma
pequena porção de cromátide acima do
centrômero para equilibrar o seu
deslocamento na fase de anáfase, durante a
divisão celular.
Nota: As extremidades dos cromossomos são
conhecidas por telômeros. Alguns
cromossomos ainda podem apresentar uma
constrição secundária denominada de satélite,
onde se localizam os genes envolvidos na
reorganização do nucléolo ao �nal da divisão
celular durante a telófase.
Nota: Melhor fase para visualização dos
cromossomos, metáfase.
Número de cromossomos
O número de cromossomos é �xo dentro da
espécie, porém é variável entre espécies.
Cariótipo
Conhecendo as características dos
cromossomos podemos organizar o
cariótipo da espécie que é de�nido como
sendo o conjunto de cromossomos próprio
de uma espécie onde os cromossomos
mitóticos na fase de metáfase são
organizados aos pares de acordo com o
tamanho e a posição do centrômero, em
ordem decrescente de tamanho. Os
cromossomos de um mesmo par são
denominados homólogos. Esse par apresenta
homologia de tamanho e de posição do
centrômero e possui os mesmos genes ao
longo das cromátides, podendo estar sob a
forma de diferentes alelos. Diferentes
alelos podem determinar fenótipos
diferentes para mesma característica dos
indivíduos, por exemplo, alguns indivíduos
são do tipo sanguíneo A, outros B, outros AB
e outros ainda do tipo O. Além do modo de
interação entre os alelos, isso decorre dos
diferentes alelos que carreiam no mesmo
locus gênico. Loco ou locus gênico é a
posição �xa que o gene ocupa no
cromossomo, sendo plural locos ou locis,
respectivamente.
Com essas informações podemos organizar
os 46 cromossomos humanos em 22 pares
homólogos e os cromossomos sexuais,
embora formem o par sexual, não são
necessariamente homólogos. No caso dos
cromossomos XY, por exemplo, do sexo
masculino, eles não têm homologia de
tamanho, de posição do centrômero e nem
de genes ao longo das cromátides, por isso,
embora sejam um par, são ditos
heteromór�cos.